[發明專利]一種磨碎碳纖維增強的酚醛樹脂/石墨雙極板材料

無效

• 申請號: 200910018755.3
• 申請日: 2009-09-17
• 公開（公告）號: CN101656316A
• 公開（公告）日: 2010-02-24
• 發明（設計）人: 王威強;李愛菊;李二磊;尤銘銘;朱?昭
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M8/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司
• 代理人: 王緒銀

一、技術領域

本發明涉及燃料電池雙極板材料技術領域，尤其是一種磨碎碳纖維增強的酚醛樹脂/石墨雙極板材料。

二、背景技術

新型能源的開發與研究是當前國民經濟發展的一個重要內容，也是世界各國經濟發展重中之重的一個領域。燃料電池是一種將燃料氣體和氧化劑的化學能通過電極反應直接轉化為電能的裝置，具有能量轉換效率高，污染物排放量和噪音較低等優點，被譽為二十一世紀的清潔能源。燃料電池種類較多，其中質子交換膜燃料電池(PEMFC)雖研究較晚，但因其具有室溫下啟動快、比功率與比能量高、無電解液流失、產物易排出、壽命長、品種繁多、應用場合廣泛等特點，得到越來越多國家的重視，發展勢頭良好。然而因制造成本高昂，PEMFC一直都被作為“概念”“環保”產品，沒有價格優勢，限制了它的推廣應用。PEMFC中的關鍵組件之一——雙極板，重量占整個PEMFC電堆的80％，成本占60～70％，因此其生產成本的降低對PEMFC的推廣有著重要的意義。目前雙極板材料主要有金屬材料、石墨材料和樹脂/石墨復合材料。樹脂/石墨復合材料是目前制造質子交換膜燃料電池雙極板的重要研究熱點之一，它可通過典型的塑料加工技術如擠壓、模壓或注射成型工藝制造雙極板，有望大大降低生產成本，推動燃料電池的產業化進程。然而該類型雙極板材料的復合改進仍然面臨著很多矛盾，例如高導電導熱性需要高的石墨含量，而高氣密性與適度機械強度又要求高的樹脂含量。高樹脂含量導致材料的導電性能降低、硬度升高、表面接觸不良，進而對燃料電池的密封系統提出更高的要求。為解決這一問題，人們開展了多種樹脂/石墨復合材料的研究，并提出了采用增強體來增強樹脂/石墨復合雙極板材料，以期在不降低材料導電性的前提下，提高材料的機械強度和減小雙極板的厚度。

中國國家知識產權局專利局公開的，公開號為CN1929176，名稱為“一種可用作質子交換膜的導流極板及其制造方法”的發明專利，提出了采用碳纖維增強樹脂/石墨復合材料，但因所用碳纖維長度為1～100mm，較難實現均勻混料，尤其當制作1～2mm厚雙極板或其他小型電極板時，混料不勻使得成型加工質量難于保證。

中國國家知識產權局專利局2009年6月3日公開的，公開號為CN101445649的“一種磨碎碳纖維增強樹脂/石墨導電復合材料及其制備工藝”的發明專利克服了現有碳纖維增強樹脂/石墨導電復合材料和工藝存在的缺陷，提供一種導電性好、耐腐蝕性強、機械強度高、阻氣性好、工藝性能好，質量穩定、可靠，性價比好的導電復合材料及其加工工藝。但該發明專利采用混合樹脂作為粘結劑，包括環氧樹脂粉體、酚醛樹脂粉體和硬脂酸鋅粉體，總成分達4～5種，材料成分偏多，成本構成偏高。

中國國家知識產權局專利局授權的，專利號為ZL200710016748.0名稱為“一種燃料電池雙極板復合材料及其制備工藝”的發明專利，提出了采用碳納米管增強酚醛樹脂/石墨復合材料，但因碳納米管成本很高，且為提高復合時與基體材料的結合強度，需進行繁雜的表面處理，進一步提高了加工成本。

三、發明內容

磨碎碳纖維是將長纖維脫漿剪切，球磨制成的顆粒細小、表面光滑的圓柱形纖維。磨碎碳纖維具有優良的機械性能與導電性能，同時，因其顆粒細小，對于樹脂/石墨基體具有良好的填充效果，是一種非常理想的增強材料。再者，由于呈顆粒狀，磨碎碳纖維與粉狀石墨和粉狀酚醛樹脂混合容易，均勻分布在復合材料中，易于起到增強作用。另外，磨碎碳纖維價格便宜，市場供應充沛，且因其在出廠時已進行過400℃以上高溫處理，可不需表面處理而直接應用。

本發明的目的是克服現有技術的不足和缺陷，發揮磨碎碳纖維優良的導電性能與力學性能，提供一種滿足抗彎強度大于等于50MPa和常溫體積電導率大于等于100S/cm要求，以磨碎碳纖維為增強體、酚醛樹脂為粘結劑和石墨為基體的成分簡單、成本低廉的燃料電池雙極板復合材料。

本發明的技術方案如下：

磨碎碳纖維增強的酚醛樹脂/石墨雙極板材料由石墨粉體、酚醛樹脂粉體和磨碎碳纖維復合而成，磨碎碳纖維粒度為100～400目，酚醛樹脂粉體粒度目數為200目及以上，石墨粉體粒度為80～200目；材料配方質量百分比為：磨碎碳纖維1～12％；酚醛樹脂粉體12％～23％；石墨粉體65％～87％。

磨碎碳纖維增強的酚醛樹脂/石墨雙極板材料的制備工藝采用與公開號為CN101445649的“一種磨碎碳纖維增強樹脂/石墨導電復合材料及其制備工藝”相同的制備工藝，即：

(1)按質量百分比備料石墨、酚醛樹脂、磨碎碳纖維；